(57)【要約】【課題】ベローズ管の成形時における応力を均一化させるとともに、スプリングバックを低減させ、寸法安定性、耐久性に優れたベローズ管の製造方法及び金型を提供する。【解決手段】自動車用操舵装置などに用いられるベローズ管をハイドロフォーミングによって成形する製造方法において、ベローズ成形用として内周面に凹凸が形成された金型にワークを装着し、該ワークに、ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えながら、ワーク内に液体を所定液圧で供給することによって、ワークを金型の凹部に接触するまで押出すとともに、金型の凸部とワークとの間に隙間を有するように成形した。【選択図】図５
2005095983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車用操舵装置などに用いられるベローズ管をハイドロフォーミングによって成形する製造方法において、
ベローズ成形用として内周面に凹凸が形成された金型にワークを装着し、該ワークに、ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えながら、前記ワーク内に液体を所定液圧で供給することによって、前記ワークを前記金型の凹部に接触するまで押出すとともに、前記金型の凸部と前記ワークとの間に隙間を有するように成形したことを特徴とするベローズ管の製造方法。
【請求項２】
前記ワークは、前記金型凹部に押し当てられることによって、該金型凹部と接している接触部の外周側に生じる引張り応力と内周側に生じる圧縮応力との応力差を小さくするとともに、前記接触部外周側に生じるひずみを前記隙間に逃がし、応力を均一化するようにした請求項１記載のベローズ管の製造方法。
【請求項３】
前記ワーク内に液体を供給することにより発生させた液圧を、前記ワークのハイドロフォーミング成形の最終段階で、前記ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えるのを停止する前に除圧するようにした請求項１または２に記載のベローズ管の製造方法。
【請求項４】
自動車用操舵装置などに用いられるベローズ管をハイドロフォーミングによって成形する製造方法であって、
ベローズ成形用として内周面に凹凸が形成された金型にワークを装着し、該ワークに、ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えながら、前記ワーク内に液体を所定液圧で供給し、かつ、前記ワーク内に液体を供給することにより発生させた液圧を、前記ワークのハイドロフォーミング成形の最終段階で、前記ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えるのを停止する前に除圧するようにしたことを特徴とするベローズ管の製造方法。
【請求項５】
ハイドロフォーミングによって管状のワークから成形される自動車用操舵装置などに用いられるベローズ管であって、
ベローズ成形用として内周面に凹凸が形成された金型に前記ワークが装着され、該ワークに、ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えながら、前記ワーク内に液体が所定液圧で供給されることにより、前記ワークが前記金型の凹部に接触するまで押出され、かつ、前記金型の凸部と前記ワークとの間に隙間を有するように成形されることによって、成形後に内部に生じる残留応力を均一化するようにしたことを特徴とするベローズ管。
【請求項６】
自動車用操舵装置などに用いられるベローズ管をハイドロフォーミングによって成形するための金型において、
ベローズ成形用として内周面に凹凸が形成された前記金型の凸部の直径を、ワークの狙い寸法直径よりも大きくしたことを特徴とするベローズ管製造金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用の操舵装置などのステアリングコラムとピニオン軸との間に配置され、衝突時の衝撃吸収や走行時の振動吸収をするためのベローズ管、並びにその製造方法および金型の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の操舵装置には、車両の１次衝突によって、コラム軸が運転者側に突き上げられることを防止するための変位吸収機構の一例として、ステアリングコラムとピニオン軸との間にベローズ管が配される。このベローズ管は、操舵トルクの伝達機構として、また、衝突時の衝撃吸収や走行時の振動吸収をするために、十分な耐久性がなければならない。
【０００３】
この種のベローズ管の成形方法として、例えば特許文献１に示すように、内圧を付与することにより膨張させる第１の工程と、金型に対して軸加圧力を付与することにより押し込み成形させる第２の工程とから構成され、座屈などを発生させることなく、良好な大口径を液圧成形するようにしたものは知られている。
【０００４】
また、例えば特許文献２に示すように、パイプ素材のベローズ形成部の両サイドに、内周部に隆起する凸周条を形成し、該凸周条に対してシールリングを軸方向に押し付けることによって、ベローズの成形範囲を定め、直管部からベローズ形成部までを一体構造に成形するようにしたものは知られている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２７７６６０号公報
【特許文献２】特開２００２−２９５６７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、金属製素管などのワークからベローズ管のように複雑な形状をハイドロ成形する場合、図１０に示すように、金型１０１は、ワーク素材の寸法バラツキを吸収するために、逃げ（隙間）１０２を有する。そのため、成形の最終段階でワーク１０３の外周凸部１０３ａが、金型１０１側の凹部１０１ａに接触する前に管内の液圧成形を停止させるようになっていた。
【０００７】
ところが、図１１の応力分布図に示すように、外周凸部１０３ａと金型凹部１０１ａとの間に隙間がある状態では、成形の最終段階でワーク側の外周凸部１０３ａの曲げ変形によって、該外周凸部１０３ａの板厚外周側（図１１のＡ部）に引張り応力が発生し、外周凸部１０３ａの板厚内周側（図１１のＢ部）に圧縮応力が発生する。よって、金型１０１からワーク１０３を取り出した際に、ワーク１０３は、外周凸部１０３ａ内に発生した応力分布を均一化しようとするため、図１２に示すように、外周凸部１０３ａなどのワーク変形部に、いわゆるスプリングバックなる変形を生じる。従来の成形方法では、外周凸部１０３ａの内外の応力差が大きいため、スプリングバックも大きくなる。ここで、図１２において、１０３はスプリングバック前のワーク、１０３’はスプリングバック後のワークであり、コンピュータ計算によるシミュレーションでは、ワーク１０３を金型１０１から取り出したときのスプリングバックは１．１２ｍｍであった。また、金型の最大面圧は５８４ＭＰａであった。さらに、ワーク１０３の外周凸部１０３ａにおける引張り応力は、７８８ＭＰａであった。
【０００８】
通常、スプリングバックを制御するのは困難であり、成形品の、凹凸ピッチなどが不安定になって、成形品の長さなどの寸法を安定して製造することができないという厄介さがあった。
【０００９】
金型形状を製品形状と同一にして成形を行う場合，どこにも逃げがないときには、素材板厚がｔ＝１．０以上と厚い場合には高い成形水圧を必要とし、金型の面圧が大きくなりすぎるため、金型が破損しやすいという問題があった。
【００１０】
また、上述したように、外周凸部１０３ａと金型凹部１０１ａとが接触しないように、隙間１０２を有する金型１０１を用いた場合には、成形の最終段階でワーク１０１の外周凸部１０３ａの板厚外周側に高い引張り応力が生じ、該引張り応力は、ワーク１０１の外周凸部１０３ａの外周側における割れの原因となり、成形したベローズ管の当該部分が割れやすいことが問題になっていた。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、ベローズ管の成形時における応力を均一化させることによって、スプリングバックを低減させ、かつ、ワークの外周凸部における引張り応力を押さえることによって、成形割れを低減させ、寸法安定性および耐久性に優れたベローズ管およびその製造方法および金型を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の上記目的は、自動車用操舵装置などに用いられるベローズ管をハイドロフォーミングによって成形する製造方法において、ベローズ成形用として内周面に凹凸が形成された金型にワークを装着し、該ワークに、ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えながら、前記ワーク内に液体を所定液圧で供給することによって、前記ワークを前記金型の凹部に接触するまで押出すとともに、前記金型の凸部と前記ワークとの間に隙間を有するように成形したことにより、達成される。
【００１３】
また、上記目的は、ハイドロフォーミングによって管状のワークから成形される自動車用操舵装置などに用いられるベローズ管において、ベローズ成形用として内周面に凹凸が形成された金型に前記ワークが装着され、該ワークに、ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えながら、前記ワーク内に液体が所定液圧で供給されることにより、前記ワークが前記金型の凹部に接触するまで押出され、かつ、前記金型の凸部と前記ワークとの間に隙間を有するように成形されることによって、成形後に内部に生じる残留応力を均一化するようにしたことにより、効果的に達成される。
【００１４】
また、上記目的は、前記ワークは、前記金型凹部に押し当てられることによって、該金型凹部と接している接触部の外周側に生じる引張り応力と内周側に生じる圧縮応力との応力差を小さくするとともに、前記接触部外周側に生じるひずみを前記隙間に逃がし、応力を均一化するようにしたことにより、効果的に達成される。
【００１５】
また、上記目的は、前記ワーク内に液体を供給することにより発生させた液圧を、前記ワークのハイドロフォーミング成形の最終段階で、前記ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えるのを停止する前に除圧するようにしたことにより、効果的に達成される。
【００１６】
また、上記目的は、自動車用操舵装置などに用いられるベローズ管をハイドロフォーミングによって成形する製造方法において、ベローズ成形用として内周面に凹凸が形成された金型にワークを装着し、該ワークに、ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えながら、前記ワーク内に液体を所定液圧で供給し、かつ、前記ワーク内に液体を供給することにより発生させた液圧を、前記ワークのハイドロフォーミング成形の最終段階で、前記ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えるのを停止する前に除圧するようにしたことにより、達成される。
【００１７】
さらに、上記目的は、自動車用操舵装置などに用いられるベローズ管をハイドロフォーミングによって成形するための金型において、ベローズ成形用として内周面に凹凸が形成された前記金型の凸部の直径を、ワークの狙い寸法直径よりも大きくしたことにより、達成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るベローズ管の製造方法および金型を使用すると、後述する実験結果から、ワークの外周凸部を金型に積極的に押し当てることにより、ハイドロフォーミングによってベローズ管を成形する際に生じる応力を均一化することができる。その結果、スプリングバック量を低減できるため、寸法精度が向上し、形状及び寸法精度を出すために必要であったサイジング工程を省略することができ、低コストで寸法安定性のあるベローズ管を製造することができる。
【００１９】
また、ワーク内に液体を供給することにより発生させた液圧を、ワークのハイドロフォーミング成形の最終段階において、ワーク長を縮める方向に圧縮荷重を加えるのを停止する前に除圧するようにしたことにより、成形最終段階における応力分布を均一にすることができ、特に、ワーク外周の凸部における引張り応力を低く抑えることができるようになって、製品の成形割れの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係るベローズ管の製造方法を説明するための概略構成図である。金属素管等からなる直管状のワーク１は、両端を所定位置で固定されて金型２内に配される。この金型２の内周面には、ベローズ成形用として凹凸が設けられている。そして、ワーク１内には、ポンプ３によって、給気口４から高圧な液体が供給されて、ワーク１に対して内圧が付与される。
【００２２】
図２乃至５にワーク１の成形工程を順に示す。図２は、ワーク１内に内圧が付与される前の状態を示すベローズ成形部の要部断面図であり、同図において、金型２は、分離可能な複数のリング状の割型から成り、ライナー５によって型間隔Ｓでもって分散配置されている。次に、ワーク１内に液体が供給されて、図３に示すように、ワーク１に対して矢印で示すような内圧が付与され、ワーク１は塑性変形して膨らみ、空間６内に張出し成形される。そして、この張出しの高さが所定値に達した時点で液体の供給を止める。
【００２３】
次に、図４に示すように、金型２からライナー５が取り外されて、ワーク１内の内圧を維持しながら、金型２の軸方向に力を加える。そして、ワーク１は、図５に示すように、次第に集合する割型から成る金型２の内周面に倣うように塑性変形され、ベローズ管が成形される。従来の方法では、ワーク１の外周凸部１ａは、金型凹部２ａに接触しないようにしていたが、本実施例では、ワーク１の外周凸部１ａが、金型凹部２ａに接触するとともに、金型凸部２ｂとワーク１の外周凹部２ｂとの間に隙間７を有するようになっている。この隙間７を設けるために、金型凸部２ｂの直径ｄ２は、ワーク１の外周凹部１ｂの狙い寸法直径ｄ１よりも僅かに大きくなっている。
【００２４】
なお、図６および図７に示すように、成形工程において、金型２を分散配置するためのライナー５を用いずに、分離された各金型２の上下面部（図６上の上下方向の側壁部）２A，２Bにバネ案内孔８，８を設け、該バネ案内孔８，８にコイルバネ９を装置した方法も使用できる。上記方法を用いれば、ベローズ間隔Ｓの異なる場合に対しても、異なる厚さのライナー５を製作する必要がない。
【００２５】
また、この状態におけるワーク１の応力分布は、図８に示すように、外周凸部１ａでは曲げ変形が起こり、外周凸部１ａの板厚外周側（図８のＣ部）では引張り応力、外周凸部１ａの板厚内周側（図８のＤ部）では圧縮応力が発生しているが、外周凸部１ａの板厚外周側Ｃと板厚内周側Ｄでの応力差は、従来の方法に比べてはるかに小さいことがわかる。これは、隙間７を設けることによって、外周凸部１ａの板厚外周側Ｃに生じるひずみを、ワーク１の外周凹部１ｂに逃がして応力を均一化しているためである。すなわち、コンピュータ計算によるシミュレーションでは、ワーク１を金型２から取り出したときのスプリングバックは０．４８ｍｍであり、従来の方法では１．１２ｍｍのスプリングバックがあったのに比べると、僅かなスプリングバックで平衡状態にすることができる。また、金型の最大面圧は６２４ＭＰａであり、従来の方法での最大面圧５８４ＭＰａに比べても１０％程度の増加にとどまり、この数値は、金型が十分に許容できる範囲である。さらに、ワーク１の外周凸部１ａの引張り応力は、４５７ＭＰａであり、従来の方法に比べて４２％ダウンすることができる。
【００２６】
よって、本発明によれば、ワーク１の外周凸部１ａを金型凹部２ａに積極的に押し当て、その際に生じるワーク１の応力をワーク１の外周凹部１ｂと金型凸部２ｂとの間に設けられた隙間７に逃がすことにより、ワーク１の応力は均一化され、スプリングバック量を低減できることができる。この結果、寸法精度が向上し、従来の方法では必要とされていたサイジング工程を省略することができ、製造工程およびコストを削減することができる。
【００２７】
また、図９は、ワークの成形過程で、軸押しストロークＬと液圧Ｐの関係を示す。
【００２８】
図９（ａ）では、ワークを装着してポンプを駆動し、ワーク内部の液圧ＰをＰ０（ＭＰａ）まで上昇させ、成形開始時の軸押しストローク（Ｘ０）から成形終了時の軸押しストローク位置（Ｘ１）まで、ハイドロフォーミング成形によるワークの成形が行われる。そして、ワークの成形が終了するストローク位置（Ｘ）、すなわちハイドロフォーミング成形の最終段階に達すると、ポンプを停止して、液圧Ｐが、Ｐ２（ＭＰａ）から０（ＭＰａ）になるまで（図９（ａ）のＸ１からＸ２までの工程）、ワーク内部を除圧するようにした。
【００２９】
一方、図９（ｂ）では、本来のワークの成形が終了するストローク位置（Ｘ）より前の段階（ハイドロフォーミング成形の最終段階）で、ポンプを停止して、液圧が、Ｐ２（ＭＰａ）から０（ＭＰａ）になるまで（図９（ｂ）のＸ１からＸ２までの工程）、ワーク内部を除圧するようにした。
【００３０】
つまり、図９（ａ）では、ワークの成形が終了するストローク位置（Ｘ）に達すると、ワーク内部を除圧したのに対して、図９（ｂ）では、成形が終了する軸出しストローク位置（Ｘ）に達する前に（軸出しストローク位置：Ｘ１）、ワーク内部を除圧するようにした。その結果、成形最終段階における応力分布を均一にすることができ、特に、ワーク外周の凸部における引張り応力を低く抑えることができるようになって、製品の成形割れを低減することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るベローズ管の成形方法の一実施例を示す概略構成図である。
【図２】上記ベローズ管を液圧成形するために、ワークを金型にセットした状態を示す要部断面図である。
【図３】上記ワーク内に液体を供給し、その内圧によってワークを張出し成形した状態を示す要部断面図である。
【図４】図３に示す状態からライナーを取り外した状態を示す要部断面図である。
【図５】図４に示す状態から金型に軸方向の力を加え、ベローズを成形した状態を示す要部断面図である。
【図６】ライナーの代わりにコイルバネを用いたベローズ管の成形方法において、ワークを金型にセットした状態を示す要部断面図である。
【図７】図６に示す状態から上記ワーク内に液体を供給して所定の内圧を付与し、金型に軸方向の力を加えてベローズを成形した状態を示す要部断面図である。
【図８】図５の状態における、ワークの外周凸部付近での応力分布を示す要部断面図である。
【図９】（ａ）は、従来のベローズ管の成形方法における水圧と軸押ストロークの関係を示すグラフであり、（ｂ）は、本発明のベローズ成形方法における水圧と軸押ストロークの関係を示すグラフである。
【図１０】従来のベローズ管の成形方法を示す概略構成図である。
【図１１】図１０における、ワークの外周凸部付近での応力分布を示す要部断面図である。
【図１２】スプリングバックについて説明するための要部断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１      ワーク
１ａ    外周凸部
１ｂ    外周凹部
２      金型
２ａ    金型凹部
２ｂ    金型凸部
７      隙間
８      バネ案内孔
９      コイルバネ
ｄ１    ワーク外周凹部の狙い寸法直径
ｄ２    金型凸部の直径
【図１】
2005095983.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005095983.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005095983.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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